CN202395465U - 一种大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，包括四组三电平整流器，电网侧变流器为两组三电平逆变器，四组三电平整流器分别与发电机的四组隔离的三相绕组连接，发电机的两组相位差180度的三相绕组连接的两组三电平整流器之间并联，并联后的整流器组串联并与两组并联的三电平逆变器连接，最后接入电网。本实用新型大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，通过四组Vienna整流器来分摊功率，由于Vienna整流器是三电平变流器，其谐波和损耗性能要优于两电平变流器，另外，每组Vienna整流器只需要三只IGBT模块，而传统两电平变流器则需要6只IGBT变流器，因此其可靠性也较高。电网侧采用两组三电平逆变器并联，通过变压器的反相设计使得并联的两组变流器抵消了中点电位的脉动。
Description
技术领域
本实用新型涉及风电领域，尤指一种大功率风力发电机组专用混合式三电平全功率变流器组,主要运用于兆瓦级变速风电机组。
背景技术
风电是目前最具有商业开发潜力的清洁能源，也是我国重点发展的可再生能源之一。当前风力发电的主流技术方案是变速风机技术，而为了实现风机的变速运行以及风电机组的并网，电力电子变流器是其中必不可少的核心控制器。在各种变速风机的实现方案中，安装在发电机定子侧的全功率风电变流器是实现风机变速恒频控制的重要方案之一，这种方案与发电机转子侧变流器方案相比更易于实现，作为风电机组关键设备在电网故障状态下要满足较高的电压穿越能力，因此是目前大功率风电变流器的研究中比较重要和热点的技术。由于定子侧变流器方案必须处理全部的发电机功率，这造成定子侧风电变流器在设计和制造上的很多的困难以及较高的成本。特别是目前国际上风电机组的单机功率已经达到5MW，而且在进一步发展5MW以上的功率等级，因此对于风电变流器的设计和制造提出了更高的要求，而现有的单发电机和单变流器的技术方案已经不能适应这种技术要求。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于兆瓦级变速风电机的三电平全功率变流器组。
为实现上述目的，本实用新型的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，包括发电机侧变流器和电网侧变流器，发电机侧变流器通过对发电机相电流的控制，实现风机的变速控制，电网侧变流器用于发电机与电网连接，实现并网控制，其中发电机侧变流器为四组三电平整流器，电网侧变流器为两组三电平逆变器，四组三电平整流器分别与发电机的四组隔离的三相绕组连接，发电机的两组相位差180度的三相绕组连接的两组三电平整流器之间并联，并联后的整流器组串联并与两组并联的三电平逆变器连接，最后接入电网。
进一步，所述三电平整流器为Vienna整流器。
进一步，所述三电平逆变器输出与电网之间连接有LC滤波器。
进一步，通过六相升压变压器，所述3L-NPC逆变器输出与电网连接。
进一步，所述六相升压变压器由两组互相反相的三相绕组构成。
本实用新型大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，这种技术的主要特点是每台分立的发电机定子侧采用各自独立的混合式三电平全功率变流器。这种技术的主要优点：（1）单台发电机的功率等级相对降低，整个风机的功率被多台发电机分担；（2）定子侧电力电子变流器的容量降低，并且可轻易实现变流器的并联或串联多重化；（3）通过四组Vienna整流器来分摊功率，由于Vienna整流器是三电平变流器，其谐波和损耗性能要优于两电平变流器，另外，每组Vienna整流器只需要三只IGBT模块，而传统两电平变流器则需要6只IGBT变流器，因此其可靠性也较高；（4）并联的两组Vienna整流器由于其三相绕组之间相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并联后的直流电容中点电压脉动。电网侧采用两组二极管中点钳位三电平逆变器（3L-NPC）并联，通过变压器的反相设计使得并联的两组变流器抵消了中点电位的脉动；（5）这种技术能够充分适应我国大功率风电机组要求国产化的市场期望和我国现有的技术能力。
附图说明
图1为混合式三电平全功率变流器组运用于兆瓦级变速风电机组原理图；
图2为Vienna整流器拓扑结构图；
图3为3L-NPC拓扑结构图。
具体实施方式
本实用新型的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，通过采用变流器的多重化技术实现大功率风机的变速运行和并网，是高功率等级变速风电机组的新的技术。
如图1所示，是一个采用多相永磁同步发电机构成的直驱系统，其中发电机提供四组隔离的三相绕组，本实用新型的变流器组包括四组Vienna整流器和两组三电平逆变器，这四组三相绕组分别连接四组Vienna整流器，Vienna整流器的拓扑结构如图2所示，四组Vienna整流器的直流侧混合连接，即I和II，III和IV分别并联，而并联后的变流器组整体串联。并联的两组Vienna整流器由于其三相绕组之间相位相差180度，故可以抵消Vienna整流器并联后的直流电容中点电压脉动。电网侧采用两组二极管中点钳位三电平逆变器（3L-NPC）并联，三电平逆变器的拓扑结构如图3所示，通过变压器的反相设计使得并联的两组变流器抵消了中点电位的脉动。
在大功率的直驱系统中，由于采用690V的电压等级，因此发电机的额定电流非常大，造成效率问题比较突出，而为了分摊发电机的功率，需要多组传统两电平变流器并联。本文提出的技术方案中通过四组Vienna整流器来分摊功率，由于Vienna整流器是三电平变流器，其谐波和损耗性能要优于两电平变流器。另外，每组Vienna整流器只需要三只IGBT模块，而传统两电平变流器则需要6只IGBT变流器，因此其可靠性也较高。同步发电机还可以采用二极管不控整流桥+Boost升压电路，但是在大功率的条件下，这种方案的电流谐波非常突出，会引起发电机的转矩脉动，对发电机的性能具有重要影响。因此现在多数采用PWM整流器，最为常用的就是两电平PWM整流器。我们提出的Vienna整流器主要用于替代两电平PWM整流器。在控制方法上，Vienna整流器是发电机侧变流器，通过对发电机相电流的控制，实现风机的变速控制。
三电平逆变器（3L-NPC）用于发电机组与电网连接，实现并网控制。3L-NPC输出与电网之间连接的LC滤波器有双重作用：一、电抗器是两个电压源之间并联必需的元件，3L-NPC是电压源式逆变器，它与电网之间并联必须通过电抗器来实现；二、电抗器与电容器构成LC滤波器，它用于滤除开关频率的电流谐波。我们推荐方案中，两组3L-NPC并联来分摊来自发电机的功率，3L-NPC是三电平变流器，其谐波性能比较优越，而且由于发电机侧通过整流器串联提高了直流母线电压（2000V），因此两组3L-NPC并联提供的容量等效于四组低压逆变器（直流母线电压1000V）并联的容量。在控制上，3L-NPC逆变器负责维持直流母线电压的稳定，实现有功功率向电网的传输，同时实现对注入电网的无功功率的控制。
升压变压器用于将逆变器输出与10-35kV电网连接。传统逆变器输出电压为690V，本文推荐的方案逆变器输出电压为2×690V，这些电压等级无法直接与10kV电网连接，因此升压变压器是必不可少的部件。但是，我们提出的方案，升压变压器非传统三相变压器，而是六相变压器，它由两组互相反相的三相绕组构成。其目的有两个：一是为了两组并联的3L-NPC之间不产生并联环流；二是通过反相设计抵消3L-NPC电容中点的电压脉动。
发电机侧整流器和电网侧逆变器与发电机和电网之间均通过断路器来连接。整个系统结构仍然是back-to-back结构，中间具有一个直流电容储能环节。这些与传统方案都是一样的。但是在具体的拓扑结构上，传统方案采用三相发电机和两电平变流器并联来实现风能变换，而我们提出的方案是采用多相发电机和三电平变流器混合连接来实现对风能的变换。我们已经充分验证了两种方案的对比，论证了我们的方案替代传统方案具有重要的优势。
尽管上文对本实用新型的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本实用新型的精神和权利要求所记载的范围。
Claims (5)
1.一种大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，包括发电机侧变流器和电网侧变流器，发电机侧变流器通过对发电机相电流的控制，实现风机的变速控制，电网侧变流器用于发电机与电网连接，实现并网控制，其特征在于，所述发电机侧变流器为四组三电平整流器，所述电网侧变流器为两组三电平逆变器，四组三电平整流器分别与发电机的四组隔离的三相绕组连接，发电机的两组相位差180度的三相绕组连接的两组三电平整流器之间并联，并联后的整流器组串联并与两组并联的三电平逆变器连接，最后接入电网。
2.如权利要求1所述的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，其特征在于，所述三电平整流器为Vienna整流器。
3.如权利要求1所述的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，其特征在于，所述三电平逆变器输出与电网之间连接有LC滤波器。
4.如权利要求1所述的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，其特征在于，通过六相升压变压器，所述三电平逆变器输出与电网连接。
5.如权利要求4所述的大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组，其特征在于，所述六相升压变压器由两组互相反相的三相绕组构成。
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